(57)【要約】      （修正有）【課題】水素ガスを加湿することができるとともに二酸化炭素を除去することができ、しかも、小型化でき、コスト削減を図ることのできる発電装置及び加湿装置を提供する。【解決手段】燃料を改質して水素及び二酸化炭素を含む改質ガスを生成する改質装置２と、改質装置２から水槽３１内に改質ガスを供給することによって、水素を加湿する加湿装置３と、加湿された水素を用いて発電する燃料電池とを備えた発電装置１００において、加湿装置３は、水槽３１内の水に溶解した二酸化炭素を含む水溶液を水槽３１から排出する循環パイプ３２と、循環パイプ３２を加熱する加熱手段３３と、加熱手段３３によって温度が上昇した水溶液中の二酸化炭素を水溶液から分離する抜気槽３４とを備えている。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を改質して水素及び二酸化炭素を含む改質ガスを生成する改質装置と、前記改質装置から水槽内に前記改質ガスを供給することによって、前記水素を加湿する加湿装置と、加湿された水素を用いて発電する燃料電池とを備えた発電装置において、
前記加湿装置は、前記水槽内の水に溶解した二酸化炭素を含む水溶液を前記水槽から排出する配管と、
前記配管を加熱する加熱手段と、
前記加熱手段によって温度が上昇した水溶液中の二酸化炭素を前記水溶液から分離する分離手段とを備えていることを特徴とする発電装置。
【請求項２】
前記分離手段によって二酸化炭素が除去された水溶液を冷却する冷却手段を備え、
前記配管は、前記冷却手段によって冷却された水溶液を再び前記水槽内に戻すように前記水槽に連結されていることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
【請求項３】
前記水槽から前記配管を介して排出された水溶液が前記水槽内に再び戻るように一定方向に流通させる送り手段を備えていることを特徴とする請求項２に記載の発電装置。
【請求項４】
前記加熱手段は、熱源として前記燃料電池で放出される熱を利用することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の発電装置。
【請求項５】
燃料を改質して水素及び二酸化炭素を含む改質ガスを生成する改質装置から水槽内に前記改質ガスを供給することによって、前記水素を加湿するとともに加湿された水素を燃料電池に使用する加湿装置において、
前記水槽内の水に溶解した二酸化炭素を含む水溶液を前記水槽から排出する配管を備え、
前記配管は外部の熱を吸収し内部の前記水溶液を加熱する部分を有し、
前記配管の内部の水溶液を加熱する部分によって温度が上昇した水溶液中の二酸化炭素を前記水溶液から分離する分離手段を含むことを特徴とする加湿装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池式の発電装置に係り、特に、燃料を改質した改質ガス中の水素に加湿するとともに、改質ガスから二酸化炭素を除去することのできる発電装置及び加湿装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年では、携帯電話、ノート型パソコン、デジタルカメラ、ＰＤＡ(Personal Digital Assistance)、電子手帳といった小型の電子機器がめざましい進歩・発展を遂げており、その電源としてアルカリ乾電池、マンガン乾電池といった一次電池やニッケル−カドミウム蓄電池、ニッケル−水素蓄電池、リチウムイオン電池といった二次電池が用いられている。また、これら一次電池及び二次電池の代替品として高いエネルギー利用効率を実現することのできる研究・開発が盛んに行われている。
【０００３】
燃料電池は、燃料と大気中の酸素とを電気化学的に反応させて化学エネルギーを電気エネルギーに変換するものであり、将来性に富む有望な電池であると位置づけられている。燃料電池に用いる燃料としては例えば水素が挙げられるが、水素は常温で気体であること等の理由からその取り扱い・貯蔵が難しい。
【０００４】
そこで、アルコールやガソリンといった液体燃料と水蒸気とを高温に加熱しながら反応させて発電に必要な水素を生成する改質装置が開発されている。今日では、改質装置と、燃料電池と、改質装置に供給するための液体燃料を貯蔵した燃料タンクとを、一体化して一つのシステムとして構成された発電装置が開発されている。
このような発電装置において、通常、水素イオンの導電性を高く維持するために加湿器が設けられている。加湿器としては、水蒸気以外のガス分子も透過する多孔性膜からなる中空糸膜をハウジング内に収容し、中空糸膜の内側と外側とにそれぞれ水分含有量の異なる流体を通流させて水分交換を行う中空糸膜を用いた加湿器（例えば、特許文献１参照）や、ガスによりスプレーして加湿するスプレー式の加湿器（例えば、特許文献２参照）、バブラー内の温水に配管によって水素ガスを導入して水素ガスに加湿するバブラー式の加湿器等が挙げられる。
【０００５】
一方、発電装置では、従来より水素と二酸化炭素を含む混合気（改質ガス）から純度の高い水素を取り出して燃料電池に供給することが試みられている。改質ガスの成分には反応に寄与しない二酸化炭素が多く含まれており、このような多くの二酸化炭素が含まれた改質ガスを燃料電池に供給した場合、水素が触媒と接触して反応しにくくなり、反応の阻害要因となるためである。そこで、改質ガス中の二酸化炭素を除去することが要求されている。
【特許文献１】特開２００３−３１２４５号公報
【特許文献２】特開平８−２２２２５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来の中空糸膜を利用した加湿器やスプレー式の加湿器では、水素イオンを加湿するのみで二酸化炭素を除去することができない。そのため、新たに二酸化炭素を除去するための装置を別途設ける必要があり、装置全体として大型化する傾向にあった。
また、特にバブラー式の加湿器の場合、バブラー内の温水に導入される改質ガス中の二酸化炭素は温水に溶解するため、改質ガスから二酸化炭素が除去されるが、一定の水温下では二酸化炭素の溶解度は一定であり、温水はいずれ飽和するので、大量の二酸化炭素を連続的に除去することができないという問題もあった。
本発明では、上記事情に鑑みてなされたもので、水素ガスを加湿することができるとともに二酸化炭素を除去することができ、しかも、小型化でき、コスト削減を図ることのできる発電装置及び加湿装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、請求項１の発明は、燃料を改質して水素及び二酸化炭素を含む改質ガスを生成する改質装置と、前記改質装置から水槽内に前記改質ガスを供給することによって、前記水素を加湿する加湿装置と、加湿された水素を用いて発電する燃料電池とを備えた発電装置において、
前記加湿装置は、前記水槽内の水に溶解した二酸化炭素を含む水溶液を前記水槽から排出する配管と、
前記配管を加熱する加熱手段と、
前記加熱手段によって温度が上昇した水溶液中の二酸化炭素を前記水溶液から分離する分離手段とを備えていることを特徴とする。
【０００８】
請求項１の発明によれば、改質装置から水槽内に改質ガスを供給することによって、改質ガス中の二酸化炭素が水に溶解していき、水溶液中の二酸化炭素濃度が上昇する。その後、加熱手段により配管を加熱することによって水溶液の温度が上昇し、二酸化炭素の溶解度が下がるので、溶解度を超えた分の二酸化炭素が放出され、分離手段によって水溶液から二酸化炭素が分離されて除去される。
また、改質ガス中の二酸化炭素を水に溶解させて除去する一方で、二酸化炭素濃度が低下した改質ガス、すなわち水素は加湿されて燃料電池の燃料として使用される。
このように、水に対する溶解度を利用して改質ガスから二酸化炭素を確実に除去し、水溶液中からも二酸化炭素を除去することができるとともに、二酸化炭素濃度の低下した改質ガスに加湿して、燃料電池の燃料として使用することができる。したがって、改質ガスから二酸化炭素を除去する装置と、加湿するための加湿装置とを個別に設ける必要もなく、製造の簡略化、装置全体の小型化及びコストの低減を図ることが可能となる。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１に記載の発電装置において、
前記分離手段によって二酸化炭素が除去された水溶液を冷却する冷却手段を備え、
前記配管は、前記冷却手段によって冷却された水溶液を再び前記水槽内に戻すように前記水槽に連結されていることを特徴とする。
【００１０】
請求項２の発明によれば、二酸化炭素が除去された水溶液を冷却手段により冷却することによって、二酸化炭素の溶解度が上がる。そして、この溶解度の高い水溶液を配管により再び水槽内に戻すことによって、水槽内の水を常に二酸化炭素濃度の溶解度の高い状態で保つことができる。したがって、水槽内の水に、新たに供給された改質ガス中の二酸化炭素を溶解させ、さらに加熱手段、分離手段を経ることにより水溶液中から二酸化炭素が除去される。このように水を循環させて、少量の水で大量の二酸化炭素を連続的に除去することができる。循環させる水は少量でよいので、水温の冷却及び水温の上昇を迅速に行うことができ、二酸化炭素の除去を効率的に行うことができる。また、例えば水を送り出すためのポンプの小型化や、消費電力の低減も図れ、コスト削減につながる。
【００１１】
請求項３の発明は、請求項２に記載の発電装置において、
前記水槽から前記配管を介して排出された水溶液が前記水槽内に再び戻るように一定方向に流通させる送り手段を備えていることを特徴とする請求項２に記載の発電装置。
【００１２】
請求項３の発明によれば、送り手段によって水槽から配管を介して排出された水溶液が水槽内に再び戻るように一定方向に流通させることで、配管内の水を所定圧力で常に循環させることができる。
【００１３】
請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の発電装置において、
前記加熱手段は、熱源として前記燃料電池で放出される熱を利用することを特徴とする。
【００１４】
請求項４の発明によれば、加熱手段は、熱源として燃料電池で放出される熱を利用するので、加熱熱源として新たにヒータ等を用いることなく、この点においても装置の小型化及びコスト削減を図ることが可能となる。
【００１５】
請求項５の発明は、燃料を改質して水素及び二酸化炭素を含む改質ガスを生成する改質装置から水槽内に前記改質ガスを供給することによって、前記水素を加湿するとともに加湿された水素を燃料電池に使用する加湿装置において、
前記水槽内の水に溶解した二酸化炭素を含む水溶液を前記水槽から排出する配管を備え、
前記配管は外部の熱を吸収し内部の前記水溶液を加熱する部分を有し、
前記配管の内部の水溶液を加熱する部分によって温度が上昇した水溶液中の二酸化炭素を前記水溶液から分離する分離手段を含むことを特徴とする。
【００１６】
請求項５の発明によれば、水槽内に改質ガスを供給することによって、改質ガス中の二酸化炭素が水に溶解していき、水溶液中の二酸化炭素濃度が上昇する。その後、配管の内部の水溶液が加熱されて水溶液の温度が上昇し、二酸化炭素の溶解度が下がるので、溶解度を超えた分の二酸化炭素が放出され、分離手段によって水溶液から二酸化炭素が分離されて除去される。
また、改質ガス中の二酸化炭素を水に溶解させて除去する一方で、二酸化炭素濃度が低下した改質ガス、すなわち水素は加湿されて燃料電池の燃料として使用される。
このように、水に対する溶解度を利用して改質ガスから二酸化炭素を確実に除去し、水溶液中からも二酸化炭素を除去することができるとともに、二酸化炭素濃度の低下した改質ガスに加湿して、燃料電池の燃料として使用することができる。したがって、水素の加湿だけでなく二酸化炭素も除去できることから、製造の簡略化、装置全体の小型化及びコストの低減を図ることが可能となる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る発電装置及び加湿装置によれば、改質ガスから二酸化炭素を確実に除去し、水溶液中からも二酸化炭素を除去することができるとともに、二酸化炭素濃度の低下した水素を含む改質ガスに対して加湿することにより、燃料電池の燃料として使用することができる。また、少量の水で大量の二酸化炭素を連続的に除去できることから、製造の簡略化、装置全体の小型化及びコスト低減を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照しながら本発明を実施するための最良の形態について説明する。ただし、発明の範囲は図示例に限定されない。
図１は、発電装置１００の発電システムの基本構成を示したブロック図である。図１に示すように、発電装置１００は、発電用燃料等が封入された燃料パック１から供給される燃料を改質して少なくとも水素及び二酸化炭素を含む改質ガスを生成する改質装置２と、改質装置２から後述の水槽３１内に改質ガスを供給することによって、水素を加湿する加湿装置３と、加湿された水素を用いて発電する燃料電池４とを備えている。
燃料パック１に封入された発電用燃料は、メタノール及び水の混合液を用いるものとするが、これに限るものではなく、メタノールに代えてエタノール、ブタノールなどのアルコール系の液体燃料や、常温、常圧下で気体であるジメチルエーテルやイソブタン、天然ガスなどの炭化水素からなる液体燃料を適用することができる。
【００１９】
改質装置２は、気化器２１と、水蒸気改質反応器２２と、水性シフト反応器２３と、選択酸化反応器２４とから構成されている。気化器２１、水蒸気改質反応器２２、水性シフト反応器２３及び選択酸化反応器２４はシリコン、アルミニウム合金やガラスなどからなる小型の基板に形成された溝に液体を流して、この液体を加熱することで気化させるかあるいは液体の少なくとも一部に化学反応を引き起こさせるマイクロリアクタとして機能するものである。
【００２０】
燃料パック１に貯蔵された燃料は、まず気化器２１に供給される。気化器２１では、供給された燃料が加熱されて気化（蒸発）し、メタノール及び水（水蒸気）の改質ガスとなって水蒸気改質反応器２２に供給される。
【００２１】
水蒸気改質反応器２２では、気化器２１で気化した燃料から水素及び二酸化炭素が生成される。具体的には、化学反応式（１）のように、気化器２１で改質ガスとされたメタノールと水蒸気が反応して二酸化炭素及び水素が生成される。
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→３Ｈ２＋ＣＯ２  ・・・  （１）
【００２２】
水蒸気改質反応器２２では、気化器２１で改質ガスとされたメタノールと水蒸気が完全に二酸化炭素及び水素に改質されない場合もあり、この場合、化学反応式（２）のように、改質ガスとされたメタノールと水蒸気が反応して二酸化炭素、一酸化炭素及び水蒸気が生成される。
２ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→５Ｈ２＋ＣＯ＋ＣＯ２  ・・・  （２）
水蒸気改質反応器２２で生成された水蒸気、一酸化炭素、二酸化炭素及び水素は水性シフト反応器２３に供給される。
【００２３】
水性シフト反応器２３では、水蒸気改質反応器２２から供給された改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気から二酸化炭素及び水素が生成される。具体的には、化学反応式（３）のように、一酸化炭素と水が反応して二酸化炭素及び水素が生成され、生成された二酸化炭素及び水素並びに水性シフト反応器２３において未反応の一酸化炭素、二酸化炭素及び水素は選択酸化反応器２４に供給される。
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２  ・・・  （３）
【００２４】
選択酸化反応器２４では、水性シフト反応器２３から供給された改質ガスに含まれる一酸化炭素を選択的に酸化させて改質ガス中から一酸化炭素が除去される。具体的には、水性シフト反応器２３から供給された改質ガスの中から特異的に選択された一酸化炭素と、選択酸化反応器２４に取り込まれた外気中の酸素とが反応して二酸化炭素が生成される。
２ＣＯ＋Ｏ２→２ＣＯ２  ・・・  （４）
【００２５】
そして、本実施の形態においては、選択酸化反応器２４から生成された改質ガスを加湿装置３に供給することによって、加湿装置３において改質ガスに含まれる水素を加湿するとともに、改質ガスから二酸化炭素を除去する。なお、加湿装置３の詳細な説明については後述する。
【００２６】
このように、燃料は改質装置２の気化器２１、水蒸気改質反応器２２、水性シフト反応器２３及び選択酸化反応器２４の各反応器での化学反応と、加湿装置３を経ることによって二酸化炭素が除去されて加湿された水素が生成される。生成された水素は燃料電池４に供給される。
【００２７】
図２(a)は、燃料電池４の平面図であり、(b)は燃料電池４の正面図である。
図２に示すように、燃料電池４は、発電を行う複数の発電セルが電気的に直列に接続されるように積層された発電セルユニット４１の外側にケーシング４２が設けられている。ケーシング４２の素材としては、金属等の導体や、セラミックス、エンジニアリングプラスチック等の絶縁体を用いることができる。なお、ケーシング４２に導体を用いる場合には、内周面に絶縁塗装を施す必要がある。  図３は、発電セルユニット４１を示す正面図である。
図３に示すように、発電セルユニット４１は、セパレータ５１、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）５２、セパレータ５３、膜電極接合体５４、セパレータ５５を順次積層してなる。発電セルユニット４１を構成する２枚のエンドプレート５６、５７、３枚のセパレータ５１、５３、５５及び２枚の膜電極接合体５２、５４は全て平面視して同形の矩形状をなしている。図示しない外部の負荷は、セパレータ５１及びセパレータ５５に接続されることによって、発電セルユニット４１から電力が供給される。
尚、セパレータ５１、５５とエンドプレート５６、５７との間に、それぞれ金属板の表面に金メッキを施してなる集電板を設ける構造としてもよい。この場合、外部の負荷は、各集電板に接続されることにより、発電セルユニット４１から電力が供給される。また、各集電板は平面視して、エンドプレート５６、５７、セパレータ５１、５３、５５及び膜電極接合体５２、５４と同形の矩形状をなしている。
【００２８】
各エンドプレート５６、５７は、セラミック、プラスチック、ガラス、シリコンなどの絶縁材料から構成されており、３枚のセパレータ５１、５３、５５及び２枚の膜電極接合体５２、５４を間に介在させた状態で発電セルユニット４１の最も外側に配置されている。また、エンドプレート５６、５７の４つの頂点部には酸素流入口６１、反応水流出口６２、水素流入口６３、水素流出口６４がそれぞれ形成されている。
【００２９】
各セパレータ５１、５３、５５は、水素や水素イオンに対して不活性である黒鉛などの導電性材料から構成されており、エンドプレート５６、５７及び膜電極接合体５２、５４の部材どうしを互いに分離する機能を有している。また、各セパレータ５１、５３、５５は、基材をセラミック、プラスチック、ガラス、シリコンなどの絶縁性材料から構成し、セパレータ５１の膜電極接合体５２との接触面からセパレータ５１の側面の一部にかけて、水素や水素イオンに対して不活性である白金などの金属から構成される導電性薄膜を成膜することで、導電性を確保してもよい。
【００３０】
図４は、セパレータ５１の膜電極接合体５２との接触面を示す平面図である。
図４に示す通り、セパレータ５１の膜電極接合体５２との接触面（図３中、セパレータ５１の上面）には葛折り状の溝５１aが形成されており、セパレータ５１と膜電極接合体５２との接触部で溝５１aがマイクロ流路として機能するようになっている。溝５１aの一方の端部は、セパレータ５１、５３、５５、膜電極接合体５２、５４の各酸素流入用スルーホールを介してエンドプレート５７の酸素流入口６１に通じており、溝５１aの他方の端部は、セパレータ５１、５３、５５、膜電極接合体５２、５４の各反応水流出用スルーホールを介してエンドプレート５７の反応水流出口６２に通じている。
【００３１】
セパレータ５３の膜電極接合体５２、５４との各接触面（図３中、セパレータ５３の上下両面）にも溝５１aと同様の溝がそれぞれ形成されており、それら溝が、セパレータ５３と膜電極接合体５２、５４との各接触部でマイクロ流路として機能するようになっている。セパレータ５３の上下両面に形成された各溝のうち下面に形成された溝の一方の端部は、セパレータ５３、５５、膜電極接合体５４の各水素流入用スルーホールを介してエンドプレート５７の水素流入口６３に通じており、セパレータ５３の下面に形成された溝の他方の端部は、セパレータ５３、５５、膜電極接合体５４の各水素流出用スルーホールを介してエンドプレート５７の水素流出口６４に通じている。また、セパレータ５３の上下両面に形成された各溝のうち上面に形成された溝の一方の端部は、セパレータ５３、５５、膜電極接合体５４の各酸素流入用スルーホールを介してエンドプレート５７の酸素流入口６１に通じており、セパレータ５３の上面に形成された溝の他方の端部は、セパレータ５３、５５、膜電極接合体５４の各反応水流出用スルーホールを介してエンドプレート５７の反応水流出口６２に通じている。
【００３２】
セパレータ５５の膜電極接合体５４との接触面（図３中、セパレータ５５の下面）にも溝５１aと同様の溝が形成されており、その溝がセパレータ５５と膜電極接合体５４との接触部でマイクロ流路として機能するようになっている。セパレータ５５に形成された溝の一方の端部は、セパレータ５５の水素流入用スルーホールを介してエンドプレート５７の酸素流入口６３に通じており、セパレータ５５に形成された溝の他方の端部は、セパレータ５５の水素流出用スルーホールを介してエンドプレート５７の水素流出口６４に通じている。
【００３３】
膜電極接合体５２は固体高分子電解質膜（図示略）とガス拡散層（GDL：Gas Diffusion Layer）電極膜（図示略）とを有しており、１枚の固体高分子電解質膜を２枚のガス拡散層電極膜で挟持した構造を有している。膜電極接合体５２において、各ガス拡散層電極膜は固体高分子電解質膜の図３中上下両側に配置され、セパレータ５１、５３にそれぞれ隣接している。固体高分子膜電解質膜は水素イオン（Ｈ+）を選択的に透過させる膜である。各ガス拡散層電極は水蒸気，水素，酸素などのガスを透過して拡散させるとともに電子（ｅ−）を導電する膜であり、白金微粒子などの触媒が担持されている。膜電極接合体５４も膜電極接合体５２と同様の構成を有しており、膜電極接合体５４の各ガス拡散層電極膜がセパレータ５３、５５にそれぞれ隣接している。
【００３４】
このように製造された燃料電池４では、加湿装置３から水素流入口６３を介して、二酸化炭素が除去されて加湿された水素が供給される。その後、水素は、セパレータ５５のマイクロ流路及びセパレータ５３の膜電極接合体５２に隣接した面（図３中セパレータ５３の下面）に形成されたマイクロ流路を流動しながら膜電極接合体５２、５４のセパレータ５３、５５とそれぞれ隣接した各ガス拡散層電極膜中に浸透・拡散し、ガス拡散層電極膜の触媒の作用を受けて、電気化学反応式（５）に示すように、水素イオンと電子とに分離する。
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−  ・・・  （５）
【００３５】
上記電気化学反応式（５）で生成した水素イオンは膜電極接合体５２、５４の各固体高分子電解質膜を透過し、電気化学反応式（５）で生成した電子は膜電極接合体５２、５４の各固体高分子電解質膜により取り出されて各ガス拡散層電極膜とセパレータ５３、５５とをそれぞれ導電する。ここでは、膜電極接合体５２、５４のセパレータ５３、５５とそれぞれ隣接した各ガス拡散層電極膜が水素極（アノード）として機能し、各ガス拡散層電極膜に隣接したセパレータ５３、５５が集電体として機能する。
なお、上記電気化学反応式（５）の反応に使用されていない未反応の水素はセパレータ５３、５５の各マイクロ流路を通過して水素流出口６４から流出する。
【００３６】
一方、酸素流入口６１からは酸素が供給され、その酸素は、セパレータ５１のマイクロ流路及びセパレータ５３の膜電極接合体５４に隣接した面（図３中セパレータ５３の上面）に形成されたマイクロ流路を流動しながら膜電極接合体５２、５４のセパレータ５１、５３とそれぞれ隣接した各ガス拡散層電極膜中に浸透・拡散する。そして、この膜電極接合体５４の下面のガス拡散層電極膜中に浸透・拡散する酸素と、膜電極接合体５４の固体高分子電解質膜を透過した水素イオンと、膜電極接合体５２の固体高分子電解質膜により取り出されて上面のガス拡散層電極膜とセパレータ５３を介して膜電極接合体５４の下面のガス拡散層電極膜に導電した電子とが、反応して電子化学反応式（６）に示すように、水蒸気が副生成物として生成される。
２Ｈ+＋１／２Ｏ2＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ  ・・・  （６）
尚、膜電極接合体５２の下面のガス拡散層電極膜中に浸透・拡散する酸素と、膜電極接合体５２の固体高分子電解質膜を透過した水素イオンとは、セパレータ５５とセパレータ５１との間に外部負荷を接続した場合に、膜電極接合体５４の固体高分子電解質膜により取り出された電子が上面のガス拡散層電極膜及びセパレータ５５、外部負荷、セパレータ５１を介して膜電極接合体５２の下面のガス拡散層電極膜に導電した電子と反応する。
【００３７】
以上のように、燃料電池４では上記電気化学反応式（５）、（６）の電気化学反応が起こることにより電気エネルギーが生成される。
ここでは、膜電極接合体５２、５４のセパレータ５１、５３と隣接した各ガス拡散層電極膜が酸素極（カソード）として機能し、各ガス拡散層電極膜に隣接したセパレータ５１、５３が集電体として機能する。
なお、電気化学反応式（６）の反応に使用されない未反応の酸素や副生成物の水蒸気はセパレータ５１、５３の各マイクロ流路を通過して反応水流出口６２から流出する。
【００３８】
次に、加湿装置３の構成について図５〜図７に基づいて説明する。
図５は、発電装置１００の構成を示した概略図、図６は加湿装置３の水槽３１内に改質ガスが供給及び排出される状態を示した断面図、図７は抜気槽３４内に改質ガスが供給及び排出される状態を示した断面図である。
図５に示すように、加湿装置３は、改質装置２の選択酸化反応器２４から生成された改質ガスが供給される水槽３１と、水槽３１に設けられて水槽３１内の水に溶解した二酸化炭素を含む水溶液を水槽３１から排出させるとともに排出させた水溶液を再び水槽３１に戻す循環パイプ（配管）３２と、循環パイプ３２内の水溶液の温度を上昇させるために循環パイプ３２を加熱する加熱手段３３と、加熱により温度が上昇した水溶液中の二酸化炭素を水溶液から分離して除去する抜気槽（分離手段）３４と、二酸化炭素が除去された水溶液を冷却する冷却手段３５とを備えている。
循環パイプ３２は、冷却手段３５によって冷却された水溶液が再び水槽３１内に戻るように水槽３１に連結されている。さらに、循環パイプ３２には、水槽３１から排出された水溶液が、加熱手段３３、抜気槽３４及び冷却手段３５を介して水槽３１内へ再び戻るように一定方向に流通させるポンプ（送り手段）３６が設けられている。
【００３９】
水槽３１内には、蒸留水（以下、水と言う）が収容されており、約３０〜４０℃の水温に保たれている。この水槽３１内には、選択酸化反応器２４から接続された供給パイプ３７がバルブ３８を介して設けられ、この供給パイプ３７を通じて改質ガスが水槽３１内に供給されるようになっている。供給パイプ３７は水槽３１内の水に浸されており、供給パイプ３７の改質ガスが供給される供給口３７aには、水の逆流を防ぐための疎水性の膜３７bが設けられている（図６参照）。
水槽３１の上端部には、二酸化炭素濃度が低下した改質ガス、すなわち水素が加湿されて排出される排出パイプ３９が設けられている。排出パイプ３９は、燃料電池４のアノード側の水素流入口６３に接続されており、燃料電池４に加湿された水素が供給可能となっている。排出パイプ３９の排出口３９aにも、水の逆流を防ぐための疎水性の膜３９bが設けられている（図６参照）。
【００４０】
疎水性の膜３７b、３９bとしては、例えばＰＴＦＥ（ポリ四フッ化エチレン、Poly Tetra Fluoro Ethylen）系膜、ポリエチレン熱硬化性膜、中空糸気体透過膜等を使用することができる。また、ＰＴＦＥ系膜のみでなく、プラスチックのハウジングとＰＴＦＥ系膜とを使用したものであっても良い。なお、供給パイプ３７の供給口３７a及び排出パイプ３８の排出口３８aの孔径は、水漏れ防止の観点から０．１〜２μｍとすることが好ましい。
【００４１】
一方、水槽３１の側面には、水槽３１内の二酸化炭素が溶解した水溶液を排出するとともに排出させた水溶液を再び水槽３１に戻す循環パイプ３２が設けられている。循環パイプ３２は、水溶液を排出する方向へ送り出すポンプ３６を介して、燃料電池４の発電セルユニット４１及びケーシング４２の周囲に蛇行して巻き付けられている（図２参照）。そのため、発電セルユニット４１の放熱によって循環パイプ３２は加熱されて、循環パイプ３２内を流れる水溶液は発電セルユニット４１及びケーシング４２の周囲を流れる間に水温が約８０℃近くまで上昇するようになっている。このように加熱手段３３の熱源として発電セルユニット４１の放熱を利用することにより、加熱熱源として新たにヒータ等を用いることなく、装置１００の小型化及びコスト削減を図ることができる。
【００４２】
さらに、循環パイプ３２は抜気槽３４に接続されている。抜気槽３４は図７に示すように、筐体３４１と、筐体３４１内に蛇行して設けられ、循環パイプ３２の端部に接続されて気体と液体とを分離する気液分離膜から形成された抜気用パイプ３４２とを備えている。
抜気用パイプ３４２内は一定の水圧がかかっており、筐体３４１内は抜気用パイプ３４２内よりも低圧となっている。そのため、この圧力差によって二酸化炭素が気液分離膜を透過して水溶液から分離可能となっている。また、筐体３４１の上面及び底面には、気体（二酸化炭素）を外部へ排出できるように外部に連通する複数の連通孔３４３が形成されている。
気液分離膜の材質としては、ポリイミド系や、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン重合体の中空糸を用いることができる。
なお、抜気用パイプ３４２内は、ポンプ３６等により水圧がかかっていることから、筐体３４１内を特に低圧とする必要はなく大気圧の状態で使用することができる。
【００４３】
また、抜気用パイプ３４２の端部には、再び循環パイプ３２が連結され、この循環パイプ３２は、さらにポンプ３６を介して水槽３１の側面に連結されている。また、抜気槽３４と水槽３１との間には、発電セルユニット４１の放熱により加熱された水溶液の温度を下げるために冷却手段３５が設けられている。
冷却手段３５としては、ファンとファンを駆動するモータや、放熱板等の冷却器が挙げられる。
【００４４】
次に、以上の構成からなる加湿装置３における作用について説明する。
選択酸化反応器２４から供給パイプ３７を介して水槽３１内に供給された改質ガスのうち二酸化炭素を除く改質ガス、すなわち水素は加湿された後、排出パイプ３９を介して排出され、燃料電池４のアノード側に供給され、燃料電池４の燃料として使用される。
【００４５】
一方、水槽３１内に順次供給された改質ガスのうち二酸化炭素は水に徐々に溶解していき、二酸化炭素濃度が高くなった水溶液は循環パイプ３２内を流れる。そして、循環パイプ３２が取り付けられた発電セルユニット４１の放熱によって発電セルユニット４１の周囲を流れる間に加熱される。つまり、水槽３１から排出されるときに３０〜４０℃程度であった水溶液は、発電セルユニット４１の放熱によって８０℃近くまで加熱される。ここで、二酸化炭素の水に対する溶解度は４０℃で０．５３ｃｍ３／ｃｍ３であり、８０℃で０．２８ｃｍ３／ｃｍ３であるので、水槽３１から排出されるときに水溶液が飽和状態であった場合を含めると、発電セルユニット４１の周囲を流れる間に最大で約４７％の二酸化炭素が飽和して水溶液から放出されることになる。これは、水溶液の水温の上昇により溶解度が下がり、溶解度を超えた分の二酸化炭素が気体として放出されるためである。
放出された二酸化炭素は、抜気槽３４の抜気用パイプ３４２を流れる際に、抜気用パイプ３４２内と筐体３４１内の圧力差によって気液分離膜を介して水溶液から分離され、その結果、水溶液から二酸化炭素が除去される。
このように水に対する溶解度を利用して改質ガスから二酸化炭素を確実に除去することができるとともに、水素に加湿して、燃料電池４の燃料として使用することができる。したがって、改質ガスから二酸化炭素を除去する装置と、加湿するための加湿装置とを個別に設ける必要もなく、製造の簡略化及び装置全体の小型化を図ることが可能となる。
【００４６】
また、二酸化炭素が除去された水溶液は、再び循環パイプ３４２内を流れ、循環パイプ３４２を通して冷却器３５に流入される。この際に、水溶液の温度は８０℃から３０〜４０℃に冷却されて、二酸化炭素の溶解度が高くなった状態となって水槽３１内へと戻される。
冷却器３５によって水溶液は冷却され、循環パイプ３２によって再び水槽３１に戻されることによって、水槽３５内の水を常に二酸化炭素濃度の溶解度の高い状態で保つことができる。その後は、上述と同様に、水槽３１内に新たに改質ガスが供給されることで、その改質ガスのうちの水素が加湿されるとともに、水槽３１中の水に二酸化炭素が溶解されて加熱工程、分離工程、冷却工程が順次繰り返されて二酸化炭素が除去され、水は常に循環される。このように水を循環させて、少量の水で大量の二酸化炭素を連続的に除去することができる。循環させる水は少量でよいので、水温の冷却及び水温の上昇を迅速に行うことができ、二酸化炭素の除去を効率的に行うことができる。また、例えば水を送り出すためのポンプ３６の小型化や、消費電力の低減も図れ、コスト削減にもつながる。
【００４７】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更である。例えば、水槽３１の形状や、循環パイプ３２、供給パイプ３７及び排出パイプ３８の水槽３１への取付箇所は上述したものに限られない。
また、循環パイプ３２は、発電セルユニット４１及びケーシング４２の周囲に蛇行して巻き付けられているとしたが、発電セルユニット４１からの放熱により循環パイプ３２を加熱できれば、その取付方法等は特に限定しない。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】発電装置１００の発電システムの基本構成を示したブロック図である。
【図２】(a)は燃料電池４の平面図、(b)は燃料電池４の正面図である。
【図３】発電セルユニット４１を示す正面図である。
【図４】セパレータ５１の膜電極接合体５２との接触面を示す平面図である。
【図５】発電装置１００の構成を示した概略図である。
【図６】加湿装置３の水槽３１内に改質ガスが供給及び排出される状態を示した断面図である。
【図７】抜気槽３４内に改質ガスが供給及び排出される状態を示した断面図である。
【符号の説明】
【００４９】
２  改質装置
３  加湿装置
４  燃料電池
３１  水槽
３２  循環パイプ（配管）
３３  加熱手段
３４  抜気槽（分離手段）
３５  冷却手段
３６  ポンプ（送り手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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